建筑垃圾再生骨料對(duì)黃土路基動(dòng)強(qiáng)度與穩(wěn)定性改良研究

關(guān)鍵詞：建筑垃圾再生骨料；黃土；路基；動(dòng)強(qiáng)度；臨界動(dòng)應(yīng)力；CT掃描；

中圖分類號(hào)：TQ171.4+18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0087-04

黃土地區(qū)易發(fā)生路基變形或不均勻沉降，極大影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)與車輛行車安全。利用石灰與水泥對(duì)黃土路基進(jìn)行改良，較低摻量的石灰與水泥可有效提高黃土路基的物理力學(xué)特性[1]。從水泥摻量，壓實(shí)系數(shù)等方面研究改良黃土路基的力學(xué)特性，水泥改良黃土路基效果良好，承載力有效提高[2]。采用5%摻量的水泥改良黃土，改良后的重塑土在靜動(dòng)力特性及物理特性等指標(biāo)上均有明顯提高[3]。近年來(lái)不少學(xué)者把建筑垃圾變廢為寶，提高利用率，減少對(duì)環(huán)境的污染。如利用建筑垃圾再生骨料對(duì)路基進(jìn)行改良，改良后路基的力學(xué)性能得到有效改善[4]。從施工技術(shù)要點(diǎn)出發(fā)，探究建筑垃圾再生骨料在路基中施工方法和質(zhì)量控制[5]。通過數(shù)值模擬研究建筑垃圾在黃土地基中的加固效果[6]。開展建筑垃圾再生骨料在路基施工的現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)，建筑垃圾的摻入可提高路基的剪切強(qiáng)度[7]。隨著建筑垃圾迅速增長(zhǎng)與處置能力矛盾日益突出，每年約有3億t建筑垃圾，但利用率僅為5%[8]。基于此，本文將通過建筑垃圾再生骨料改良黃土，利用動(dòng)三軸設(shè)備，開展建筑垃圾再生骨料改良黃土的動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)。利用動(dòng)彈性模量，臨界動(dòng)應(yīng)力等指標(biāo)分析建筑垃圾再生骨料改良黃土的可行性，并提出最優(yōu)配比。

1試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黃土選自西安市境內(nèi)，外觀呈黃色，質(zhì)地松軟，取土深度為1m，最大粒徑為0.069mm。嚴(yán)格按照GB/T50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定對(duì)黃土基本物理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。

建筑垃圾選自西安市某建筑拆遷后的混凝土，將廢棄混凝土進(jìn)行粉碎，洗滌，人工篩選不同粒徑的再生骨料。本文將人工篩選較小粒徑作為添加材料。篩選后的建筑垃圾再生骨料小于0.075mm粒徑的顆粒占10%；0.075～0.25mm占26%；0.25～0.5mm占31%；0.5～1mm占12%；1～5mm占9%；5～10mm占8%；大于10mm占4%。并按照J(rèn)GJ52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)廢棄混凝土物理指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果如表2所示。

1.2不同配比建筑垃圾再生骨料改良黃土的制備

將黃土碾碎后在105℃下烘干12h，烘干后的土樣與建筑垃圾再生骨料按照最優(yōu)含水率14%進(jìn)行均勻拌和，拌和均勻后用保鮮膜密封靜置24h，使水分均勻分布在土體各處，并按最大干密度1.79g/cm³進(jìn)行重塑土樣的制作。定義建筑垃圾再生骨料摻比（k）為建筑垃圾再生骨料與黃土質(zhì)量比的百分?jǐn)?shù)，分別按照0%、5%、10%、15%、20%、25%配置不同質(zhì)量摻比的重塑土。將重塑土按3次分層擊實(shí)，并按照100mm（高）×50mm（直徑）的尺寸進(jìn)行制作。

1.3試驗(yàn)方法

利用英國(guó)GDS動(dòng)三軸設(shè)備，進(jìn)行不同質(zhì)量摻比建筑垃圾再生骨料改良黃土動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)所用圍壓統(tǒng)一選取200kPa，固結(jié)比為0.5，循環(huán)剪切頻率酈（f）使用f=1Hz的等幅正弦荷載，最大循環(huán)剪切次數(shù)為200，在固結(jié)不排水條件下分10級(jí)循環(huán)荷載施加。試驗(yàn)設(shè)定應(yīng)變達(dá)到5%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，試樣在20、40、100、200振次條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

CT掃描試驗(yàn)使用的儀器由德國(guó)YXLON公司生產(chǎn)，配備了300kV/500W的X射線管，最高分辨率為2μm。該設(shè)備包括圖像采集軟件，該軟件提供標(biāo)本的分辨率為2048×2048像素，體素大?。w積像素）為35μm×35μm×35μm。通過掃描處理后，樣本可以獲得約1334個(gè)圖像。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)儀器所連接電腦自動(dòng)采集動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)變變化時(shí)程，可以得出不同振次及質(zhì)量摻比建筑垃圾再生骨料改良黃土的σ_d-ε_d關(guān)系曲線，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，不同振次條件下隨建筑垃圾再生骨料質(zhì)量摻比的增加（0%～20%），相同動(dòng)應(yīng)變條件下，動(dòng)應(yīng)力持續(xù)增加，表明建筑垃圾再生骨料的摻入可以使黃土更加密實(shí)，可以承受較大動(dòng)應(yīng)力，土體內(nèi)部顆粒間接觸面積增大，大顆粒（建筑垃圾再生骨料）與小顆粒（黃土）互相填充，土體內(nèi)部孔隙減小，顆粒間的咬合力及黏聚力提高，從而具有良好的強(qiáng)度與抗變形能力。但當(dāng)k=25%時(shí)動(dòng)應(yīng)力較k=20%的重塑黃土呈下降趨勢(shì)，可能原因是過量建筑垃圾再生骨料易導(dǎo)致在土體內(nèi)部堆積，導(dǎo)致建筑垃圾再生骨料與黃土顆粒間以點(diǎn)接觸為主，顆粒間孔隙增大，在動(dòng)荷載作用下，由于土體孔隙較多，使土體無(wú)法承受較大動(dòng)應(yīng)力。不同質(zhì)量摻比的重塑土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均先快速增加（動(dòng)應(yīng)變?cè)?%～2%時(shí)，應(yīng)力增長(zhǎng)幅度較大），當(dāng)達(dá)到一定閥值時(shí)，增長(zhǎng)速率降低。在不同振次下，相同應(yīng)變下（ε_d=15%），k=20%較素土（k=0%）的動(dòng)應(yīng)力分別提高了452.9%、469.1%、400%、410.2%；較k=25%時(shí)的動(dòng)應(yīng)力分別增加25.5%、28.5%、9.1%、13.3%。

2.2動(dòng)彈性模量變化關(guān)系

不同質(zhì)量摻比建筑垃圾再生骨料動(dòng)彈性模量變化如圖2所示。

由圖2可知，相同應(yīng)變條件下，隨建筑垃圾再生骨料質(zhì)量摻比的增大，動(dòng)彈性模量也隨之增大，說(shuō)明建筑垃圾再生骨料的摻入可有效提高土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。當(dāng)ε_d小于2%時(shí)，E_d-ε_d曲線呈線性關(guān)系，動(dòng)彈性模量下降速度較快。ε_d大于2%時(shí)，土體開始進(jìn)入塑性發(fā)展階段，E_d-ε_d曲線呈非線性關(guān)系，動(dòng)彈性模量緩慢降低。不同應(yīng)變條件下，建筑垃圾再生骨料摻比為20%時(shí)動(dòng)彈性模量達(dá)到最大，說(shuō)明再生骨料的加入使重塑土樣剛度有效提高，土顆粒膠結(jié)作用增強(qiáng)，加大顆粒間的摩阻力進(jìn)而使顆粒間的變形或滑移受到明顯限制，同時(shí)顆粒之間的接觸點(diǎn)增多，土體內(nèi)部力鏈的相互作用力提高，導(dǎo)致重塑黃土抗變形及承載能力得到較好的改善。

2.3臨界動(dòng)應(yīng)力變化關(guān)系

取重塑黃土5%軸向應(yīng)變?yōu)槠茐臉?biāo)準(zhǔn)，軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為臨界動(dòng)應(yīng)力。通常將臨界動(dòng)應(yīng)力作為路基穩(wěn)定性參考依據(jù)[9]，根據(jù)建筑垃圾再生骨料改良黃土的σ_d-ε_d關(guān)系曲線，可得到不同振次及質(zhì)量摻比建筑垃圾再生骨料改良黃土的臨界動(dòng)應(yīng)力，如圖3所示。

由圖3可知，在不同振次下，隨再生骨料的不斷加入，臨界動(dòng)應(yīng)力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且曲線在建筑垃圾再生骨料質(zhì)量摻比為0%～15%增加幅度較慢，在摻比15%～20%增加幅度較快，表明較低建筑垃圾再生骨料的摻入對(duì)臨界動(dòng)應(yīng)力影響較小。當(dāng)建筑垃圾再生骨料質(zhì)量摻比達(dá)到20%時(shí)，臨界動(dòng)應(yīng)力值達(dá)到最大，繼續(xù)添加建筑垃圾再生骨料，臨界動(dòng)應(yīng)力值呈降低趨勢(shì)，表明k=20%時(shí)可使重塑土樣抗變形能力達(dá)到最好，此時(shí)土體較為穩(wěn)定。當(dāng)k=25%時(shí)，不同振次條件下，臨界動(dòng)應(yīng)力較k=20%的重塑黃土分別下降26.3%、28.5%、18.28%、16.07%，此狀態(tài)下的重塑土樣內(nèi)部孔隙較多，過量建筑垃圾再生骨料相互團(tuán)聚，且由于黃土含量較少，建筑垃圾再生骨料含量較多，但黃土顆粒并未占據(jù)建筑垃圾顆粒間的孔隙，而是較多地游離在土骨架外，易導(dǎo)致振動(dòng)作用下顆粒接觸方式轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)接觸且增大孔隙間距，進(jìn)一步使土體臨界動(dòng)應(yīng)力降低，穩(wěn)定性下降。

2.4CT掃描

通過上述研究結(jié)果可知，建筑垃圾再生骨料質(zhì)量摻比為20%時(shí)，重塑土樣的動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到最大。因此，對(duì)比k=0%和k=20%的重塑土樣孔隙特征可探究建筑垃圾再生骨料填充效果。將CT掃描后的圖片導(dǎo)入AVIZO軟件中。通過AVIZO軟件計(jì)算可得出再生骨料摻量0%與20%時(shí)孔隙數(shù)量與孔隙直徑變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)k=0%時(shí)，孔隙直徑主要分布在86～112μm且占比最多，與黃土具有大孔隙的特征相吻合[10-11]。當(dāng)k=20%時(shí)，孔隙直徑主要分布在53～70μm，且小直徑孔隙占比較多，大直徑孔隙占比較小，大粒徑再生骨料會(huì)替代部分黃土顆粒充當(dāng)土骨架，較小粒徑的黃土起到填充效果，進(jìn)而使重塑土樣大孔隙減小。建筑垃圾再生骨料質(zhì)量摻比為0%與20%時(shí)孔隙分布均為單峰結(jié)構(gòu)，且k=20%較k=0%時(shí)的峰值向左偏移。建筑垃圾再生骨料摻量為20%時(shí)，較摻量0%時(shí)的孔隙數(shù)量在小于50μm區(qū)間增加190%，在50～100μm降低38.7%，在100～150μm降低15.1%，在大于150μm區(qū)間降低27.6%。建筑垃圾再生骨料的摻入可有效降低孔隙直徑，最大孔隙直徑降低42.8%。再生骨料的加入使黃土土體內(nèi)部平衡狀態(tài)被打破，黃土內(nèi)部顆粒連接方式發(fā)生改變，且顆粒之間位移發(fā)生相對(duì)變化，建筑垃圾再生骨料與黃土重新整合成新的土體結(jié)構(gòu)，在振動(dòng)作用下，大顆粒與小顆粒重新排列且互相填充，大孔隙將變成小孔隙，小孔隙變成微孔隙，進(jìn)而使孔隙減少，土體密實(shí)，強(qiáng)度提高。

3結(jié)語(yǔ)

（1）相同應(yīng)變條件下，k=20%時(shí)的重塑土樣的動(dòng)應(yīng)力達(dá)到最大，表明建筑垃圾再生骨料摻量為20%時(shí)為最優(yōu)配合比；

（2）隨再生骨料的摻入，動(dòng)彈性模量呈先增加后降低的趨勢(shì)，建筑垃圾再生骨料質(zhì)量摻比為20%時(shí)達(dá)到動(dòng)彈性模量峰值，此摻比下的黃土路基抗變形能力得到較好的改善；

（3）臨界動(dòng)應(yīng)力隨振次的增加呈下降趨勢(shì)，且隨著建筑垃圾再生骨料質(zhì)量摻比的增大，臨界動(dòng)應(yīng)力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，k=20%時(shí)，臨界動(dòng)應(yīng)力值達(dá)到最高，改良后黃土路基穩(wěn)定性提高；

（4）通過CT掃描技術(shù)對(duì)比再生骨料摻量0%與20%的孔隙特征，發(fā)現(xiàn)摻量20%重塑土樣的孔隙直徑與孔隙數(shù)量均得到有效改善，表明建筑垃圾再生骨料的摻入可以使黃土路基強(qiáng)度提高。